Mit per Modell entwickelten Präzisionskatalysatoren den Klimawandel bekämpfen
Der Übergang zu erneuerbaren Energien spielt eine entscheidende Rolle dabei, die langfristigen Klimaziele der EU zu erreichen. Für den See- und Luftverkehr sind dennoch die meist aus fossilen Brennstoffen gewonnenen flüssigen Kohlenwasserstoffe nach wie vor unverzichtbar, und sie sind ein wichtiger Ausgangsstoff für Düngemittel, Pharmazeutika und Kunststoffe. Eine Lösung ist die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen, um umweltfreundlichen Wasserstoff zu erzeugen und diesen anschließend mit Kohlendioxid zu kombinieren, um flüssige Kohlenwasserstoffe zu gewinnen. Die direkte Nutzung von Strom zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenwasserstoffe ist eine weitere Möglichkeit. Wäre das im industriellen Maßstab möglich, könnten auch der Transport und die Speicherung von erneuerbarem Strom einfacher werden. Das EU-finanzierte Projekt 3D Model Catalysts (3MC) hat nun ein System zur Herstellung neuartiger Katalysatoren erforscht, mit denen diese Prozesse in greifbare Nähe rücken. „Irgendwie werden wir flüssige Brennstoffe und chemische Bausteine immer brauchen, auch wenn wir sie nicht mehr aus fossilen Ressourcen gewinnen wollen“, erklärt Petra de Jongh, Projektkoordinatorin von 3MC. „Damit wir auf diese neuen Verfahren umsteigen können, müssen wir neue und effiziente Katalysatoren erfinden, mit denen sich der Material-, Kosten- und Stromaufwand minimieren lässt“, sagt de Jongh, Professorin für Katalysatoren und Energieträger am Debye Institut der Universität Utrecht in den Niederlanden. „Dadurch kommt der gesamte Prozess erst in Gang.“
Per Modell Katalysatoren erschaffen
Viele Katalysatoren bestehen aus einem feinen Metallpulver, das zur einfachen Handhabbarkeit an ein Oxidsubstrat gebunden wird. Ein Beispiel dafür sind die Katalysatoren auf Platinbasis, wie sie in den Auspuffanlagen von Fahrzeugen zu finden sind. Aber die Partikel in diesen Pulvern befinden sich in einem ungeordneten Zustand, was es erschwert, auf der Basis von Wissen einen optimalen Katalysator zu konstruieren. Zur Lösung dieses Problems beschäftigten sich de Jongh und ihr Team mit dem Bau von „Modell“-Katalysatoren aus Kupfer- und anderen Metallnanopartikeln, die in mesoporöses Siliziumdioxid eingebettet und in Hinsicht auf ihre Struktur, Zusammensetzung und Geometrie genauestens überwacht und gesteuert wurden. „Sie wiesen eine sehr einheitliche und gut definierte dreidimensionale Struktur auf“, fügt de Jongh hinzu. „Die aktive Phase dieser Katalysatoren besteht aus kleinen Nanopartikeln, sodass neben der Zusammensetzung auch die Partikelgröße einen großen Einfluss auf die Leistungseigenschaften hat. Zwei, drei, vier Nanometer machen hier viel aus.“ De Jongh und ihr Team entwarfen einige Katalysatoren sowohl für die thermische als auch für die elektrochemische CO2-Umwandlung. Grundlage waren Parameter, von denen sie annahmen, dass es vorteilhaft wäre, diese zu optimieren. Sie wurden synthetisch zusammengesetzt und anschließend mit atomarer Präzision charakterisiert, um eine klare Vorstellung von der Struktur des Katalysators zu bekommen.
In der industriellen Erprobung
Zum Abschluss wurden die neuartigen Katalysatoren im Labor von de Jongh erprobt. Es verfügt über mehrere Prüfstände, mit denen industrielle Bedingungen simuliert werden können. Auf diese Weise wurde sichergestellt, dass die neuartigen Katalysatoren in echten Szenarien funktionieren. „Die Katalysatoren müssen unter hohen Temperaturen, hohen Drücken und hydrodynamischen Strömungen getestet werden, und das wochenlang“, erläutert de Jongh. Aus der Arbeit ergab sich, dass diese Methodik ein äußerst robuster Weg ist, um zu einem grundlegenden Verständnis und zu Grundregeln für die Konzipierung neuartiger Katalysatoren zu gelangen. Die im Rahmen des Projekts 3MC entstandenen Kreationen werden nun auf ihre Anwendbarkeit in der Industrie erforscht. „Wir haben einige Katalysatoren mit neuen geometrischen und atomaren Verteilungen angefertigt, die besser als die konventionellen arbeiten“, merkt de Jongh an. „Wird zum Beispiel die atomare Verteilung der beiden Elemente in einem Nanopartikel gesteuert, kann ein Katalysator gleicher Zusammensetzung 50-mal aktiver funktionieren.“ Unterstützt wurde die Arbeit durch den Europäischen Forschungsrat. „Dadurch wurde alles überhaupt erst möglich“, betont de Jongh. „Mit diesen Finanzmitteln konnten wir diese Gruppe, unser Team, aufbauen und diesen Ansatz erforschen. Es ist ganz toll zu erleben, dass nun Gruppen überall in der Welt unserem Beispiel folgen.“
Schlüsselbegriffe
3MC, Katalysatoren, chemisch, Klima, Energie, Modell, elektrochemisch, CO2-Umwandlung, geometrisch, atomar
